CN102065286B - 基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法 - Google Patents

Abstract

一种基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法，水印嵌入步骤为：步骤a，在编码时，获取编码端视频帧的第i个运动矢量(X_i，Y_i)；步骤b，根据所述编码端运动矢量(X_i，Y_i)横坐标X_i与纵坐标Y_i的小数部分的组合关系，获取所述编码端运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)；步骤c，按照修改规则调整所述编码端运动矢量(X_i，Y_i)的横坐标X_i或纵坐标Y_i，使得所述编码端运动矢量的特征向量(V1_i，V2_i)的横坐标V1_i、纵坐标V2_i与将要嵌入的两位水印W_k，W_k+1相同；水印提取步骤为：步骤d，在解码时，获取解码端视频帧的第i个运动矢量(X_i，Y_i)；步骤e，根据所述解码端运动矢量(X_i，Y_i)横坐标X_i与纵坐标Y_i的小数部分的组合关系，获取所述解码端运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)；步骤f，提取运动矢量(X_i，Y_i)中的水印信息，两位水印W_k，W_k+1分别为解码端运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)的横坐标V1_i，纵坐标V2_i。

Description

基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法

技术领域

本发明涉及多媒体数字水印嵌入和提取方法，特别涉及一种基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法。

背景技术

随着计算机多媒体技术以及网络技术的迅猛发展，数字图像、视频、音频等数字媒体的复制和传播变得越来越方便。但是，数字媒体的易于拷贝也使它面临着严重的安全问题。数字水印技术是近几年提出的一种版权保护手段，它通过在数字媒体中嵌入可见的或不可见的信息，可以标示数字媒体作品的归属权，还能控制数字媒体的非法传播。

目前视频数字水印的嵌入和提取方案主要有3种：(1)非压缩域的视频数字水印；(2)编码域的视频数字水印；(3)压缩域的视频数字水印。非压缩域的视频数字水印主要分为空域水印和变换域水印。这种方案可以利用数字图像水印的技术方案，水印嵌入方法比较多，但容易增加视频码流的比特率以及在进行编码是水印信息可能遭到破坏。编码域的视频数字水印一般通过修改DCT系数或运动矢量来进行嵌入。这种方案抗攻击能力比较强，但嵌入和提取水印时需部分修改编码器和解码器。压缩域的视频数字水印将水印直接嵌入到编码压缩后的视频码流中。该方案不需要解码和再编码，但水印的嵌入量比较少。

现有的通过修改运动矢量嵌入水印的方法，有的是通过修改运动矢量的横坐标和纵坐标中的一个或两个来嵌入一位水印，有的是通过修改运动矢量的横坐标和纵坐标来嵌入两位水印。后一种方法虽然可以通过修改一个运动矢量嵌入两位水印，但是需要修改运动矢量的横坐标和纵坐标，对原始视频的损伤较大。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法中，对原始视频损伤较大的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供一种基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法，包括水印嵌入和水印提取两大步骤，

所述的水印嵌入步骤为：

步骤a，在编码时，获取编码端视频帧的第i个运动矢量(X_i，Y_i)，i∈{1，2，......，m}，X_i表示横坐标，Y_i表示纵坐标，m为视频帧中运动矢量的总数；

步骤b，根据所述编码端运动矢量(X_i，Y_i)横坐标X_i与纵坐标Y_i的小数部分的组合关系，获取所述编码端运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)；

步骤c，按照修改规则调整所述编码端运动矢量(X_i，Y_i)的横坐标X_i或纵坐标Y_i其中之一，使得所述编码端运动矢量的特征向量(V1_i，V2_i)的横坐标V1_i、纵坐标V2_i与将要嵌入的两位水印W_k，W_k+1相同；

所述的水印提取步骤为：

步骤d，在解码时，获取解码端视频帧的第i个运动矢量(X_i，Y_i)；

步骤e，根据所述解码端运动矢量(X_i，Y_i)横坐标X_i与纵坐标Y_i的小数部分的组合关系，获取所述解码端运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)；

步骤f，提取运动矢量(X_i，Y_i)中的水印信息，两位水印W_k，W_k+1分别为解码端运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)的横坐标V1_i，纵坐标V2_i。

本发明的有益效果在于，通过比较运动矢量横坐标与纵坐标与待嵌入水印的关系，修改运动矢量的横坐标或纵坐标，实现在一个运动矢量中嵌入两个水印。本发明在幅值较大的运动矢量中嵌入水印，运动矢量的幅值较大，说明视频帧中对象运动剧烈，修改后的运动矢量恢复的画面有细微的失真，在剧烈运动的场景中不明显。本发明的水印嵌入方法简单，只需对运动矢量进行简单的判断和加减运算即可嵌入水印，计算复杂度小。并且，和不同的视频压缩标准有很好的兼容性。同时，在保证水印嵌入数量的情况下，对运动矢量的修改较小，因此对原始视频的损伤较小。

附图说明

图1为应用本发明基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法的视频***示意图；

图2为本发明水印嵌入的方法的流程图；

图3为本发明水印提取的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为应用本发明基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法的视频***示意图。所述视频***包括编码端和解码端。在编码端，将水印图像转化为一维的二进制水印比特流，送入视频编码器，视频编码器对原始视频进行编码，并将水印比特流嵌入运动矢量，形成视频流。在解码端，视频解码器提取运动矢量中嵌入的水印序列，恢复水印图像和视频帧。

在对水印的嵌入与提取过程进行详细说明之前，对本发明的思想进行阐明。本发明首先比较运动矢量横坐标与纵坐标与待嵌入水印的关系，然后修改运动矢量的横坐标或纵坐标其中之一，实现在一个运动矢量中嵌入两个水印，从而对运动矢量的修改较小，对原始视频的损伤最小。本发明的方法应用于B帧和P帧的编解码中。

在进行水印嵌入之前，将B帧和P帧中宏块的运动矢量按照特定顺序排序，得到运动矢量序列。在本实施例中，将宏块的运动矢量按照由左至右，由上至下的顺序排序，得到宏块的运动矢量序列{(X₁，Y₁)，(X₂，Y₂)，......，(X_m，Y_m)}，m为当前视频帧中宏块运动矢量的总数。需要嵌入的二进制水印比特流为{W₁，W₂，......W_n}，n为水印总数。

本发明可应用于精度为1/4像素的视频压缩技术中，例如H.264、AVS、MPEG-4等等。根据运动矢量横坐标与纵坐标的小数部分的组合关系，确定运动矢量的特征向量。

所述的运动矢量横坐标与纵坐标的小数部分的组合关系为，对于第i个运动矢量(X_i，Y_i)，横坐标X_i的小数部分为x_i，纵坐标Y_i的小数部分为y_i。将横坐标X_i的小数部分x_i的数值放大为4倍，并取绝对值，即计算|x_i*4|；将纵坐标Y_i的小数部分y_i的数值放大为4倍，并取绝对值，即计算|y_i*4|。计算|x_i*4|和|y_i*4|之间的距离P_i＝mod(4+|x_i*4|-|y_i*4|，4)。

由于运动矢量是1/4像素精度的，所以把运动矢量的横坐标和纵坐标小数部分乘以4并取绝对值后为0、1、2或3。则|x_i*4|和|y_i*4|的数值为0、1、2或3。把0，1，2，3看作一个循环，即0-3＝1，0-1＝3。

按照|x_i*4|，|y_i*4|奇偶性以及P_i的值分总共有8种情况，如表1所示。表1为运动矢量的横坐标、纵坐标小数部分与特征向量横坐标、纵坐标的对应关系。

通过|x_i*4|的奇偶性以及P_i的值来计算特征向量(V1_i，V2_i)，特征向量的横坐标V1_i＝mod(|x_i*4|，2)，特征向量的纵坐标V2_i为P_i/2的整数部分，如表1所示。

表1

|xi*4|	|yi*4|	Pi	V1i	V2i
					奇数	奇数	0	1	0
奇数	偶数	1	1	0
					奇数	奇数	2	1	1
奇数	偶数	3	1	1
					偶数	偶数	0	0	0
偶数	奇数	1	0	0
					偶数	偶数	2	0	1
偶数	奇数	3	0	1

本发明需预先设定阈值threshold，运动矢量幅值与所述的阈值做比较，幅值大于所述阈值的运动矢量做为水印嵌入的载体。阈值的选取会影响水印的可嵌入容量以及峰值信噪比PSNR(Peak Signal Noise Ratio)，应用中根据不同的要求在一定范围内进行调整。

下面对水印的嵌入与提取过程进行详细说明。

如图2所示，本发明视频水印的嵌入方法为：

步骤101：开始。

步骤102：在编码时，获取编码端视频帧的第i个运动矢量(X_i，Y_i)，i∈{1，2，......，m}，X_i表示横坐标，Y_i表示纵坐标。

步骤103：计算编码端视频帧的运动矢量(X_i，Y_i)的幅值 $A_i=\sqrt{X_i^2+Y_i^2},$ 比较幅值A_i与阈值threshold的大小，判断幅值是否大于阈值，若是，则执行步骤104，若不是，则执行步骤110。

步骤104：根据编码端运动矢量(X_i，Y_i)横坐标X_i与纵坐标Y_i的小数部分的组合关系，获取运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)；

获取横坐标X_i的小数部分x_i，以及纵坐标Yi的小数部分y_i；

计算|x_i*4|和|y_i*4|之间的距离P_i＝mod(4+|x_i*4|-|y_i*4|，4)；

通过|x_i*4|的奇偶性以及P_i的值来计算特征向量(V1_i，V2_i)，特征向量的横坐标V1_i＝mod(|x_i*4|，2)，特征向量的纵坐标V2_i为P_i/2的整数部分。

步骤105：通过调整运动矢量(X_i，Y_i)的横坐标Xi或纵坐标Y_i其中之一，使得该运动矢量的特征向量(V1_i，V2_i)的横坐标V1_i、纵坐标V2_i与要嵌入的两位水印W_k，W_k+1相同，表示已经在该运动矢量中嵌入了两位水印W_k，W_k+1；具体而言，通过对运动矢量(X_i，Y_i)的横坐标X_i和纵坐标Y_i中的一个进行加减操作，在一个运动矢(X_i，Y_i)量中嵌入两位水印W_k，W_k+1；

根据横坐标V1_i、纵坐标V2_i与要嵌入的两位水印W_k，W_k+1的关系修改运动矢量的横坐标X_i或纵坐标Y_i，修改规则如下：

当V1_i＝W_k，V2_i＝W_k+1且mod(P_i，2)＝0时，或者当V1_i＝W_k，V2_i＝W_k+1且mod(P_i，2)＝1时，横坐标X_i和纵坐标Y_i保持不变；

当V1_i＝W_k，V2_i≠W_k+1且mod(P_i，2)＝0时，修改纵坐标Y_i为

当V1_i＝W_k，V2_i≠W_k+1且mod(P_i，2)＝1时，修改纵坐标Y_i为 $(Y_i-\mathrm{sgn}\left(Y_i\right)*\frac{1}{4})*(1-\mathrm{\δ}\left(Y_i\right))+\frac{3}{4}*\mathrm{\δ}\left(Y_i\right);$

当V1_i≠W_k，V2_i＝W_k+1且mod(P_i，2)＝0时，或者当V1_i≠W_k，V2_i≠W_k+1且mod(P_i，2)＝1时，修改横坐标为

当V1_i≠W_k，V2_i＝W_k+1且mod(P_i，2)＝1时，或者当V1_i≠W_k，V2_i≠W_k+1且mod(P_i，2)＝0时，修改横坐标为 $(X_i-\mathrm{sgn}\left(X_i\right)*\frac{1}{4})*(1-\mathrm{\δ}\left(X_i\right))+\frac{3}{4}*\mathrm{\δ}\left(X_i\right);$

其中， $\mathrm{sgn}\left(X_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& X_i\&GreaterEqual;0\\ 0& X_i<0\end{array}\right.,$ $\mathrm{sgn}\left(Y_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& Y_i\&GreaterEqual;0\\ 0& Y_i<0\end{array}\right.,$ $\mathrm{\&delta;}\left(X_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& X_i=0\\ 0& X_i\&NotEqual;0\end{array}\right.,$

$\mathrm{\&delta;}\left(Y_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& Y_i=0\\ 0& Y_i\&NotEqual;0\end{array}\right..$

步骤106，计算修改后的运动矢量的幅值 $A_i=\sqrt{X_i^2+Y_i^2},$ 比较幅值A_i与阈值threshold的大小，判断幅值是否大于阈值，若是，则执行步骤107，若不是，则执行步骤108。

步骤107，k＝k+2，即表示将当前的两位水印W_k，W_k+1嵌入运动矢量(X_i，Y_i)，将要嵌入两位新的水印。

步骤108，k保持不变，表示将当前的两位水印W_k，W_k+1嵌入运动矢量(X_i，Y_i)，并将两位水印W_k，W_k+1再次嵌入下一运动矢量。防止本来满足条件的运动矢量在经过修改后不满足大于阈值的条件，导致在视频水印提取时就提取不出嵌入在此运动矢量中的水印。

步骤109，判断k是否大于水印总数n，若是则结束；若否，则执行步骤110。

步骤110，i＝i+1，表示对下一个运动矢量嵌入水印。

步骤111，判断i是否大于运动矢量总数m，若是，则结束；若否，则执行步骤102。

如图3所示，本发明视频水印的提取方法为：

步骤201：开始。

步骤202：在解码时，获取解码端视频帧的运动矢量(X_i，Y_i)，i∈{1，2，......，m}，X_i表示横坐标，Y_i表示纵坐标。

步骤203：计算解码端视频帧的运动矢量(X_i，Y_i)的幅值 $A_i=\sqrt{X_i^2+Y_i^2},$ 比较幅值A_i与阈值threshold的大小，判断幅值是否大于阈值，若是，则执行步骤204，若不是，则执行步骤207。

步骤204：根据解码端运动矢量(X_i，Y_i)横坐标X_i与纵坐标Y_i的小数部分的组合关系，提取解码端运动矢量(X_i，Y_i)中的水印信息；

获取横坐标X_i的小数部分x_i，以及纵坐标Y_i的小数部分y_i；

计算|x_i*4|和|y_i*4|之间的距离P_i＝mod(4+|x_i*4|-|y_i*4|，4)；

计算特征向量(V1_i，V2_i)，特征向量的横坐标V1_i＝mod(|x_i*4|，2)，特征向量的纵坐标V2_i为P_i/2的整数部分；

则运动矢量(X_i，Y_i)中的水印信息为W_k＝V1_i，W_k+1＝V2_i。

步骤205：k＝k+2，即表示将要提取两位新的水印。

步骤206：判断k是否大于水印总数n，若是则结束程序；若否，则执行步骤207。

步骤207：i＝i+1，表示对下一个运动矢量提取水印。

步骤208：判断i是否大于运动矢量总数m，若是则结束；若否，则执行步骤202。

本发明在幅值较大的运动矢量中嵌入水印，运动矢量的幅值较大，说明视频帧中对象运动剧烈，修改后的运动矢量恢复的画面有细微的失真，在剧烈运动的场景中不明显。本发明的水印嵌入方法简单，只需对运动矢量进行简单的判断和加减运算即可嵌入水印，计算复杂度小。并且，和不同的视频压缩标准有很好的兼容性。同时，在保证水印嵌入数量的情况下，对运动矢量的修改较小，因此对原始视频的损伤较小。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法，包括水印嵌入和水印提取两大步骤，其特征在于，所述的水印嵌入步骤为：

步骤a，在编码时，获取编码端视频帧的第i个运动矢量(X_i，Y_i)，i∈{1，2，......，m}，X_i表示横坐标，Y_i表示纵坐标，m为视频帧中运动矢量的总数；

步骤b，根据所述编码端运动矢量(X_i，Y_i)横坐标X_i与纵坐标Y_i的小数部分的组合关系，获取所述编码端运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)；

步骤c，按照修改规则调整所述编码端运动矢量(X_i，Y_i)的横坐标X_i或纵坐标Y_i其中之一，使得所述编码端运动矢量的特征向量(V1_i，V2_i)的横坐标V1_i、纵坐标V2_i与将要嵌入的两位水印W_k，W_k+1相同；

所述的水印提取步骤为：

步骤d，在解码时，获取解码端视频帧的第i个运动矢量(X_i，Y_i)；

步骤e，根据所述解码端运动矢量(X_i，Y_i)横坐标X_i与纵坐标Y_i的小数部分的组合关系，获取所述解码端运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)；

步骤f，提取运动矢量(X_i，Y_i)中的水印信息，两位水印W_k，W_k+1分别为解码端运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)的横坐标V1_i，纵坐标V2_i；

所述的步骤a和步骤b之间还包括计算编码端视频帧的运动矢量(X_i，Y_i)的幅值

判断所述的幅值是否大于一预设阈值的步骤，若是，则执行步骤b，若否，则获取下一个运动矢量；

所述的水印嵌入的步骤中，在所述的步骤c之后，还包括

计算修改后的运动矢量的幅值判断修改后的幅值A_i是否大于所述阈值的步骤，若是，则将当前的两位水印W_k，W_k+1嵌入运动矢量(X_i，Y_i)，若否，则将当前的两位水印W_k，W_k+1嵌入运动矢量(X_i，Y_i)，并将两位水印W_k，W_k+1再次嵌入下一运动矢量；

所述的水印提取的步骤中，在所述的步骤d之后，步骤e之前，还包括计算解码端视频帧的运动矢量(X_i，Y_i)的幅值判断所述的幅值是否大于一预设阈值的步骤，若是，则执行步骤e，若否，则获取下一个运动矢量。

2.如权利要求1所述的基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述的步骤b为，

获取所述编码端运动矢量(X_i，Y_i)横坐标X_i的小数部分x_i，以及纵坐标Y_i的小数部分y_i；

计算|x_i*4|和|y_i*4|之间的距离P_i＝mod(4+|x_i*4|-|y_i*4|，4)；

所述编码端运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)的横坐标V1_i＝mod(|x_i*4，2)，纵坐标V2_i为P_i/2的整数部分。

3.权利要求1所述的基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述的步骤c中的修改规则为，

当V1_i＝W_k，V2_i＝W_k+1且mod(P_i，2)＝0时，或者当V1_i＝W_k，V2_i＝W_k+1且mod(P_i，2)＝1时，横坐标X_i和纵坐标Y_i保持不变；

当V1_i＝W_k，V2_i≠W_k+1且mod(P_i，2)＝0时，修改纵坐标Y_i为

当V1_i＝W_k，V2_i≠W_k+1且mod(P_i，2)＝1时，修改纵坐标Y_i为 $(Y_i-\mathrm{sgn}\left(Y_i\right)*\frac{1}{4})*(1-\mathrm{\&delta;}\left(Y_i\right))+\frac{3}{4}*\mathrm{\&delta;}\left(Y_i\right);$

当V1_i≠W_k，V2_i＝W_k+1且mod(P_i，2)＝0时，或者当V1_i≠W_k，V2_i≠W_k+1且mod(P_i，2)＝1时，修改横坐标为

当V1_i≠W_k，V2_i＝W_k+1且mod(P_i，2)＝1时，或者当V1_i≠W_k，V2_i≠W_k+1且mod(P_i，2)＝0时，修改横坐标为 $(X_i-\mathrm{sgn}\left(X_i\right)*\frac{1}{4})*(1-\mathrm{\&delta;}\left(X_i\right))+\frac{3}{4}*\mathrm{\&delta;}\left(X_i\right);$

其中， $\mathrm{sgn}\left(X_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& X_i\&GreaterEqual;0\\ 0& X_i<0\end{array}\right.,$ $\mathrm{sgn}\left(Y_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& Y_i\&GreaterEqual;0\\ 0& Y_i<0\end{array}\right.,$ $\mathrm{\&delta;}\left(X_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& X_i=0\\ 0& X_i\&NotEqual;0\end{array}\right.,$ $\mathrm{\&delta;}\left(Y_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& Y_i=0\\ 0& Y_i\&NotEqual;0\end{array}\right..$

4.如权利要求1所述的基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述的步骤e为，获取所述解码端运动矢量(X_i，Y_i)横坐标X_i的小数部分x_i，以及纵坐标Y_i的小数部分y_i；计算|x_i*4|和|y_i*4|之间的距离P_i＝mod(4+|x_i*4|-|y_i*4|，4)；所述解码端运动矢量(X_i，Y_i)的特征向量(V1_i，V2_i)的横坐标V1_i＝mod(|x_i*4|，2)，纵坐标V2_i为P_i/2的整数部分。

5.如权利要求1所述的基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述的方法应用于精度为1/4像素的视频压缩技术。

6.如权利要求5所述的基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述的视频压缩技术是基于H.264、AVS或MPEG-4标准。

7.如权利要求1所述的基于运动矢量的视频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述的方法应用于视频帧的B帧或P帧。

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